金属应力腐蚀开裂的近场动力学模拟

Various mechanisms or models have been proposed for explaining corrosion-induced degradation of strength and toughness, among which corroded surface defects and hydrogen embrittlement are two major ones. Our previous studies on corrosion showed that a diffusion-based corrosion layer forms underneath the Corrosion Product Layer, possibly reducing the ductility of corroded metal. In this layer, the material is composed of partially oxidized metal (uncorroded metal, corrosion products and corrosive species), and has different mechanical properties compared to the bulk (lower elastic modulus and ductility). These changes, such as embrittlement induced by the corrosion or stress-dependence of the diffusion processes in corrosion, are determining factors in explaining how SCC is triggered and how it progresses in time. The traditional models consider that the corrosion reaction only affects the metal surface; they cannot capture microstructural changes in the mechanical properties in the subsurface layer immediately below the solid/liquid interface. To fully understand the role of diffusion-based corrosion layer in stress-corrosion cracking and capture the stress/corrosion dependence, we propose to 1) perform experiments in different scales to characterize the evolution of the diffusion-based corrosion layer and to weight its influence in the corrosion-induced degradation of material toughness; 2) include the subsurface corrosion reaction in to our stress/corrosion peridynamic model, and develop the corresponding simulation program; 3) calibrate the unknown parameters in the stress/corrosion model; 4) predict the initiation and dynamic growth of cracks from corrosion sites. The proposed work will allow engineers to more precisely forecast catastrophic structural failures as well as design materials less susceptible to corrosion.

氢脆和腐蚀引起的表面缺陷通常被用来解释腐蚀中材料的脆化。然而，最近实验发现金属表面会因腐蚀产生微米级的损伤层（扩散腐蚀层），该损伤层同样会影响材料的整体韧性。传统腐蚀模型假设腐蚀仅发生在金属表面，且传统的应力腐蚀模型只考虑表面静水压力对腐蚀速率的影响，没有考虑到金属表面下层所发生的化学反应，以及在受力情况下应力对金属内部腐蚀速率的影响。本项目拟围绕金属扩散腐蚀层在应力腐蚀中的作用机理这一关键科学问题，通过微细宏观实验，直观揭示扩散腐蚀层在应力腐蚀中的演化过程以及其对材料整体力学性能的影响；发展应力腐蚀开裂的力化耦合理论，建立应力腐蚀开裂的弹性/损伤/化学反应相耦合近场动力学模型，开发相应的算法和程序；结合实验，校准近场动力学应力腐蚀模型中的未知参数；定量预测裂纹在腐蚀应力共同作用下的萌芽和扩展，深化对应力腐蚀开裂内在机制的理解。指导工程师更精确地预测灾难性结构故障、设计更加耐腐蚀的材料。

氢脆和腐蚀引起的表面缺陷通常被用来解释腐蚀中材料的脆化。然而，最近实验发现金属表面会因腐蚀产生微米级的损伤层（扩散腐蚀层），该损伤层同样会影响材料的整体韧性。传统腐蚀模型假设腐蚀仅发生在金属表面，且传统的应力腐蚀模型只考虑表面静水压力对腐蚀速率的影响，没有考虑到金属表面下层所发生的化学反应，以及在受力情况下应力对金属内部腐蚀速率的影响。本项目围绕金属扩散腐蚀层在应力腐蚀中的作用机理这一关键科学问题，提出了一种用于应力腐蚀的新型力化耦合近场动力学模型。在该模型中，腐蚀反应中的阳极溶解速率是金属腐蚀前缘附近材料的非局部膨胀应变的函数。考虑到铜发生均匀腐蚀，设计了基于铜的应力腐蚀实验。在该实验中，通过电化学工作站测量了铜在不同应力状态下的腐蚀速率。实验结果用于校准并验证了新力化耦合模型。在此基础上，数值研究了包含了复杂几何形状结构的应力腐蚀问题。在应力腐蚀研究的基础上，建立了近场动力学弹性/损伤/化学反应相耦合的模型，开发了模型的高效求解算法，并编制了相应的计算程序，对应力腐蚀开裂进行了仿真模拟，通过实验对比，对模型进行了验证。以此模型为基础，本项目研究了：1）腐蚀速率，包括金属内部腐蚀，随应力的变化关系；2）在腐蚀和应力共同作用下，金属材料表层（扩散腐蚀层）的损伤变化过程；3）损伤、裂纹对腐蚀速率的影响。项目执行期间，在JMPS、Electrochimica Acta等固体力学、腐蚀等领域的权威期刊发表论文10篇。申请专利2 项。同时项目团队将本项目基础研究工作与国家重大工程研究相结合，负责两项中国核动力研究设计院资助的腐蚀相关研究项目。参加学术会议19人次，其中特邀报告6次（包括大会报告2次）。培养博士研究生7名，硕士研究生2名（已毕业1名）。